(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導体の一面に当該超伝導体における酸化のギブズエネルギーより小なる酸化のギブズエネルギーを有する金属が設けられるとともに、前記超伝導体から前記金属へ当該超伝導体の酸素が移動することで当該金属の酸化と当該超伝導体の還元が進行するために必要な活性化エネルギー以上のエネルギーが与えられるように前記金属に接触させた領域を局所的に加熱する電流加熱によって得られる超伝導特性が弱められた領域が前記超伝導体の前記金属が設けられた領域下に存在することを特徴とするジョセフソン素子。
【請求項２】
超伝導体の一面に当該超伝導体における酸化のギブスエネルギーより小なる酸化のギブスエネルギーを有する金属を接触させた後、前記超伝導体から前記金属へ当該超伝導体の酸素が移動することで当該金属の酸化と当該超伝導体の還元が進行するために必要な活性化エネルギー以上のエネルギーが与えられるように前記金属に接触させた領域を局所的に加熱する電流加熱によって、前記超伝導体の前記金属と接触した領域下に超伝導特性が弱められた領域を作ることを特徴とするジョセフソン素子の製造方法。
【請求項３】
前記超伝導体は、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ６+δ、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７-δ、Ｌａ２-ｘＢａｘＣｕＯ４、ＴｌＢａ２Ｃａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋３（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋４（ｎ＝１、２、３、４）、ＨｇＢａ２ＹＣａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋２＋δ（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｌａ２-ｘＳｒｘＣｕＯ４、Ｎｄ２-ｘＣｅｘＣｕＯ４、Ｌａ２-ｘＳｒｘＣｕＯ４のいずれか１つより選択された物質であり、前記金属は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｓｉのいずれか１つ或いはその合金より選択された物質であることを特徴とする請求項１に記載のジョセフソン素子。
【請求項４】
前記超伝導体は、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ６+δ、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７-δ、Ｌａ２-ｘＢａｘＣｕＯ４、ＴｌＢａ２Ｃａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋３（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋４（ｎ＝１、２、３、４）、ＨｇＢａ２ＹＣａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋２＋δ（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｌａ２-ｘＳｒｘＣｕＯ４、Ｎｄ２-ｘＣｅｘＣｕＯ４、Ｌａ２-ｘＳｒｘＣｕＯ４のいずれか１つより選択された物質であり、前記金属は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｓｉのいずれか１つ或いはその合金より選択された物質であることを特徴とする請求項２に記載のジョセフソン素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジョセフソン素子、特に超伝導体中の一部に超伝導特性が弱められた領域を有するジョセフソン素子および同素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従前より、酸化物超伝導体にＧａ或いはＺｎを打ち込んだ後、酸素中でアニール処理することでＣｕとＧａ或いはＺｎを置換して絶縁化すると同時に、打ち込みにより損傷を受けた酸化物超伝導体の他の領域の回復を促すことで、ジョセフソン素子を形成する提案がなされている（例えば、特許文献1参照）。
【０００３】
また、超伝導体薄膜を堆積させる前の基板に、集束イオンビームを用いて欠陥を導入し、続いて当該基板の上に超伝導体を堆積させることで、超伝導薄膜の前記欠陥上に位置する領域に欠陥（即ち粒界）を導入することでジョセフソン接合を形成する提案がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
特許文献1に開示の技術は、ＣｕとＧａ或いはＺｎの置換を促すため、打ち込み後に素子全体を高温でアニールする必要がある。
【０００５】
特許文献２に開示の技術は、超伝導を弱める「程度」を制御することが困難である。特に、超伝導体上に２種以上の超伝導を弱めた領域（超伝導臨界温度Ｔｃ或いは超伝導臨界電流密度Ｊｃが処理前に比べて低下した領域）を任意の箇所に形成することが困難である。更に、単結晶への適用も困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３２１３０号公報
【特許文献２】特許第３０６４３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は従前の技術に鑑み、微細加工が出来、又制御性の高い、ジョセフソン素子および同素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明請求項１に係る発明は、超伝導体の一面に当該超伝導体における酸化のギブズエネルギーより小なる酸化のギブズエネルギーを有する金属が設けられるとともに、前記超伝導体から前記金属へ当該超伝導体の酸素が移動することで当該金属の酸化と当該超伝導体の還元が進行するために必要な活性化エネルギー以上のエネルギーが与えられるように前記金属に接触させた領域を局所的に加熱する電流加熱によって得られる超伝導特性が弱められた領域が前記超伝導体の前記金属が設けられた領域下に存在することを特徴とするジョセフソン素子を提供する。なお、上述の「弱められた領域」とは、超伝導特性が完全に壊され絶縁化された場合も含むものとする。
【０００９】
本発明請求項２に係る発明は、超伝導体の一面に当該超伝導体における酸化のギブスエネルギーより小なる酸化のギブスエネルギーを有する金属を接触させた後、前記超伝導体から前記金属へ当該超伝導体の酸素が移動することで当該金属の酸化と当該超伝導体の還元が進行するために必要な活性化エネルギー以上のエネルギーが与えられるように前記金属に接触させた領域を局所的に加熱する電流加熱によって、前記超伝導体の前記金属と接触した領域下に超伝導特性が弱められた領域を作ることを特徴とするジョセフソン素子の製造方法を提供する。なお、上述の「接触させた」金属が、最終的に素子に残す場合も残さない場合も含むものである。
【００１１】
本発明請求項３に係る発明は、前記超伝導体は、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ６+δ、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７-δ、Ｌａ２-ｘＢａｘＣｕＯ４、ＴｌＢａ２Ｃａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋３（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋４（ｎ＝１、２、３、４）、ＨｇＢａ２ＹＣａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋２＋δ（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｌａ２-ｘＳｒｘＣｕＯ４、Ｎｄ２-ｘＣｅｘＣｕＯ４、Ｌａ２-ｘＳｒｘＣｕＯ４のいずれか１つより選択された物質であり、前記金属は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｓｉのいずれか１つ或いはその合金より選択された物質であることを特徴とする請求項１に記載のジョセフソン素子を提供する。
【００１２】
本発明請求項４に係る発明は、前記超伝導体は、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ６+δ、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７-δ、Ｌａ２-ｘＢａｘＣｕＯ４、ＴｌＢａ２Ｃａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋３（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋４（ｎ＝１、２、３、４）、ＨｇＢａ２ＹＣａｎ−1ＣｕｎＯ２ｎ＋２＋δ（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｌａ２-ｘＳｒｘＣｕＯ４、Ｎｄ２-ｘＣｅｘＣｕＯ４、Ｌａ２-ｘＳｒｘＣｕＯ４のいずれか１つより選択された物質であり、前記金属は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｓｉのいずれか１つ或いはその合金より選択された物質であることを特徴とする請求項２に記載のジョセフソン素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、微小領域の超伝導特性制御が可能であるとともに、必要な操作が電極形式と加熱のみであるため、大容量、高密度化が容易である。勿論、任意の形状に金属を堆積させることで、エッチングを要することなく超伝導回路を組むことも出来る。
【００１４】
また、異なる金属を使うことで超伝導を弱める程度を調整することも可能となる。さらにまた、電極に電圧を印加し、ジュール熱を発生させることでも同等の効果が期待されること、即ち、局所加熱が可能なため、熱に弱い素子との混載も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)はいずれも本発明の一実施例におけるジョセフソン素子の製造過程を説明するための図である。
【図２】同上実施例において酸素欠乏領域が生じていることを説明するための図である。
【図３】同上実施例における素子の抵抗−温度特性を示す図である。
【図４】同上実施例における素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図５】同上実施例において、素子作製の条件を変えたときの素子の構造の一例を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施例における単一磁束量子メモリ(記憶素子)を示す立体図である。
【図７】(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)はいずれも同上第２の実施例における単一磁束量子記憶素子の作製方法を説明するための図である。
【図８】活性化エネルギーを説明するための図である。
【図９】(ａ)、(ｂ)、(ｃ)はいずれも本発明の第３の実施例を説明するための素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
下記実施例では、Ｂｉ−２２１２（Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8+δであり、ＢＳＣＣＯと略記することあり）超伝導単結晶を例示したが、その他、以下のような超伝導単結晶についても同様な方法で、絶縁層或いは超伝導が弱められた領域を超伝導単結晶表面近傍或いは表面から十分内部まで形成することができる。ここで、十分内部とは絶縁領域或いは超伝導が弱められた領域が超伝導体単結晶の一方の表面から他方の表面まで到達する場合を含む。
【００１７】
上述の超伝導単結晶例は、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣｕＯ6+δ、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+δ、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ、Ｌａ2-xＢａxＣｕＯ4、ＴｌＢａ2Ｃａn-1ＣｕnＯ2n+3（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｔｌ2Ｂａ2Ｃａn-1ＣｕnＯ2n+4（ｎ＝１、２、３、４）、ＨｇＢａ2ＹＣａn-1ＣｕnＯ2n+2+δ（ｎ＝１、２、３、４、５）、Ｌａ2-xＳｒxＣｕＯ4、Ｎｄ2-xＣｅxＣｕＯ4、Ｌａ2-xＳｒxＣｕＯ4である。
【００１８】
（実施例１）
以下、本発明の一例である固有ジョセフソントンネルデバイスの作製方法のフローを説明する。本発明によって得られるＢｉ−２２１２超伝導単結晶を用いた固有ジョセフソントンネルデバイスは、次の（１）〜（５）のプロセスを経て得られた。
【００１９】
Ｂｉ−２２１２は、ビスマス（Ｂｉ）を中心とした銅酸化物で、構成する元素記号（割合）を示すと、Ｂｉ（２）、Ｓｒ（２）、Ｃａ（１）、Ｃｕ（２）、Ｏ8+δである。ビスマス−２２１２は、結晶を作るだけで、自然に、超伝導層と絶縁層が交互に配置されたサンドイッチ層（ジョセフソン接合列）を形成する。さらに、それら層は極めて薄くできる優れた特性があることから、半導体に代わる素子として期待されている。
【００２０】
（１）劈開工程
２．０ｍｍ×１．５ｍｍ×０．０２ｍｍ程度のサイズを有するＢｉ−２２１２超伝導単結晶をスコッチ（スリーエム社登録商標）テープ或いは剃刀をａｂ面（表裏面）に対して平行に超伝導体単結晶に挿入することで劈開し、清浄面を出した。
【００２１】
（２）電極形成工程
工程（１）で用意した単結晶劈開面上にスパッタリング法によってＰｔ電極を４つ並べて配列した（図１(ａ)、（ｂ））。ここで、外側の２電極を電流端子、内側の２電極を電圧端子に用い、４端子法による電流-電圧特性、抵抗-温度特性を測定した。
【００２２】
（３）超伝導体還元用電極形成工程
Ｐｔ電圧端子の間にスパッタリング法によりＡｌ電極を形成した（図１(ａ)、（ｂ））。
【００２３】
（４）還元熱処理工程
工程（１）から（３）で作製したものをＡｒ雰囲気中において、１００、２００、３００、４００、５００℃でそれぞれ１時間ずつ熱処理した。尚、図１(ｃ)、(ｄ)はそれぞれ図１(ｂ)におけるＡ−Ａ′断面図、Ｂ−Ｂ′断面図である。
【００２４】
（５）電気パス偏向工程  工程（１）から（４）で作製したものにおいて、ＩH端子およびＩL端子を電流端子として用い、一方でＶH端子およびＶL端子を電圧端子として用いることで、図２にそのイメージを示すように、電流パスを固有ジョセフソン接合列が存在
する深さ方向に偏向した。
【００２５】
図３に熱処理後に測定した抵抗-温度特性を示す。「電気抵抗値が半導体的振舞いを示す」ことから、本実施例における超伝導体（Ｂｉ−２２１２）と超伝導体還元用電極（Ａｌ）の構成においては、Ａｒ中において５００℃で１時間の熱処理によって、電流パスを固有ジョセフソン接合列が存在する深さ方向に偏向出来ることが分かる。また、固有ジョセフソントンネルデバイスとしての動作の確認は、図４に示すように、電流−電圧特性測定で観測された「電圧の不連続な飛び」から確認された。なお、本実施例では４００℃から５００℃のいずれかの温度でグラフ曲線の傾きが負になるのでそのいずれかの温度以上、１時間の熱処理が本発明の範囲とされるが、要するところ、超伝導体から金属へ当該超伝導体の酸素が移動することで当該金属の酸化と当該超伝導体の還元が進行するために必要な活性化エネルギー以上のエネルギーが与えられるように加熱すれば良いのであって、温度、時間など種々の条件設定が可能である。                                      
【００２６】
これらのプロセスにより高温超伝導体の単結晶上に、ｃ軸方向（ａｂ面に垂直な方向）に存在する固有ジョセフソン接合列を活かした形態のトンネルデバイスが形成された。
【００２７】
なお、図５に示すように、超伝導体還元用電極下に、超伝導体の一方の表面から他方の表面まで酸素欠乏（還元）領域を形成することによって、固有ジョセフソン接合を利用することなく、ａｂ面方向(ｃ軸に垂直な方向)のジョセフソン接合を形成することも可能である。超伝導体還元用電極下に、超伝導体の一方の表面から他方の表面まで酸素欠乏（還元）領域を形成した場合、超伝導体還元用電極が堆積されているのと相対する面における酸素欠乏領域の幅（図５のＬ２）は超伝導体還元用電極直下に形成される酸素欠乏領域の幅（図５のＬ１）に比べて小さい。故に、アニール温度と時間、超伝導体の厚さ等を工夫することでＬ２を数ナノメートル程度に調整することが可能であり、ａｂ面内方向にジョセフソン接合を形成できる。この場合、固有ジョセフソン接合を利用しなくてよいため、超伝導体はｃ軸配向している必要が無く、バルク単結晶や単結晶薄膜は勿論のこと、多結晶薄膜を用いても良い。
【００２８】
（実施例２）
図６は本発明の他の実施例における単一磁束量子メモリ(記憶素子）を示す立体図であり、図７は本発明の実施形態に係る単一磁束量子メモリの作製方法を説明する図であり、図７(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)はいずれも平面図である。本実施形態ではリング状に形成された超伝導体が連続的に連なった形状をとり、隣接する超伝導リングの間には超伝導の弱い領域、即ちジョセフソン接合を含んでいる。
【００２９】
フォトリソグラフィー とスパッタ、蒸着法等を用いて、図７(ａ)に示す酸化物超伝導体薄膜或いは単結晶上に金属A及びBを成膜する（図７(ｂ)）。ここで、酸化物超伝導体金属A、金属Bの酸化のギブズエネルギーは金属B ≦ 金属A < 酸化物超伝導体の関係を満たす。なお、金属Ａと金属Ｂは同一の金属であっても良い。
【００３０】
図７(ｂ)で得られた構造を不活性ガス中でアニールする。金属A及びBが酸化物超伝導体から酸素を奪うよう、金属A及びBが酸化し、酸化物超伝導体が還元されるための活性化エネルギーEa以上のアニール温度に設定する。Eaについては図８に示すとおりである。
【００３１】
アニール処理により、金属Bが酸化物超伝導体から酸素を強烈に奪う(即ち還元する)ため、金属Bが堆積しているリングの「穴」に相当する箇所及びリングの周辺部の超伝導は破壊され、超伝導体のリングが形成される。金属AはBに比べて酸化物超伝導体を同じかそれよりも弱く還元するため、金属Aの下には超伝導が弱められた領域が形成される。これにより、図７(ｄ)のジョセフソン接合と記された部分が形成される。以上の工程より、単
一磁束量子メモリ構造が得られる。
【００３２】
（実施例３）
以下、実施例３を断面図である図９(ａ)、(ｂ)、(ｃ)を参照しつつ説明する。        先ず、図９(ａ)に示すように電極A、Bに加えて電極Aと向かい合わせに電極Cを形成する。電極Aとしては、図８のエネルギー図を参考に、加熱処理を経て酸化物超伝導体を還元させる材料を選択する。電極B及びCには、酸化し難い材料を選択する。電極Ａについては勿論のこと、電極Cについても必ずしも酸化物超伝導体上に成膜される必要はなく、電気的に導通していれば良い。
【００３３】
つぎに図９(ｂ)に示すように、電極AとCの間にバイアス電圧を加えて電流を流し、ジュール熱を発生させる。活性化エネルギーEa以上まで温度を上昇させることで、電極Aが酸化し、酸化物超伝導体の電極Aと接触する領域が還元する。ここで、電極A側が正バイアスとなるように電圧印加することで酸素イオンO2-がクーロン力によって電極A側に引き寄せられ、より効率的に酸化物超伝導体を還元させることができる。
【００３４】
以上の工程により、ジョセフソン接合全体を加熱することなく、酸化物超伝導体の電極Aに接する領域のみを還元することが可能である。この手法は他の回路素子を共に形成する場合等、素子全体の過熱を避けなければならない場合に極めて有効である。なお、電極Cは電気的な接触がとれていれば電極A-C間に電流を流す役割を果たすため、必ずしも酸化物超伝導体上に成膜されている必要はない。よって、最終的にCを無くすことも残すことも共に可能である。
【００３５】
更に、超伝導体還元用の電極Ａに関しても、超伝導体と熱的、物理的或いは電気的に接触していれば良く、必ずしも超伝導体上に堆積されている必要はない。 故に、例えば、Ａｌ製の端子を超伝導体表面に接触させ、前記Ａｌ製端子と前記電極Ｃの間に電圧を印加することでジュール熱を発生させ、Ａｌ端子が酸化することで、超伝導体を還元することが出来る。超伝導体還元後、端子を超伝導体から離すことで、超伝導体上に還元用の電極を堆積することなく酸素欠乏（還元）領域を任意の箇所に形成することが出来る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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